围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率D_k均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数c_f整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样...     

煤样三轴循环加卸载力学特征颗粒流模拟

基于煤样常规三轴试验,使用颗粒流程序PFC得到了一组能够较真实反映煤样宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对煤样进行不同围压下循环加卸载颗粒流模拟试验,分析了不同围压下煤样的宏观参数、裂纹扩展过程及其之间的关系。通过分析弹性模量和塑性应变随加载轴向应变的变化规律,表明弹性模量随加载轴向应变先增大后减小、塑性应变随加载轴向应变先稳定增加后快速变化,证明了使用颗粒流程序模拟循环加卸载是可行的。其后对循环加卸载过程进行分析,结果表明裂纹数目的非“记忆”行为随加载的进行逐渐加强,峰后微裂纹主要产生于宏观裂纹之间的相互摩擦。结合裂纹在试样内的破裂过程分析,表明剪切带的形成是造成弹性模量和塑性应变出现拐点的主要原因,对试样在循环荷载作用下的破裂过程有了一定的认识。     

高温作用后原煤、型煤力学及声发射特性对比试验研究

利用单轴压缩试验仪器与声发射检测系统对煤样进行单轴压缩声发射试验，分析温度对原煤、型煤力学及声发射特性的影响规律。结果表明：同一温度下，型煤的峰值强度大于原煤,随着试验温度的升高，原煤的峰值强度与损伤强度逐渐降低，峰值应变也随之减小；型煤的峰值强度逐渐增大，但高温处理后型煤的损伤强度较常温相比降低，两者损伤强度数值在应力-应变曲线拐点附近。通过分析煤样不同阶段的声发射特征，相同温度下原煤、型煤的力学与声发射特性相吻合。原煤加载初期声发射计数出现一段“空白期”，随着试验温度的升高，原煤最大振铃计数增大，200℃时达到最大值，型煤最大振铃计数先增大后减小，100℃时达到最大值；应力-时间曲线拐点附近，煤样声发射计数活跃，原煤激增现象明显，且高温处理后的煤样与常温煤样相比，拐点前移；原煤、型煤在加载过程中声发射信号的差异性间接表明了两者结构的差异，对比高温作用后两者力学及声发射特征规律上的不同，更加说明高温作用后原煤内部产生的热应力对结构破坏的剧烈程度。原煤、型煤高温处理后拐点的出现及附近声发射信号激增标志着煤岩内部裂纹大面积产生，据此可对矿井可能发生动力学灾害部位及时采取预防措施。     

预制大尺度单裂纹煤样破坏特征及电荷规律试验研究

为有效提取含有宏观构造煤体失稳破坏的前兆信息,采用试验方法开展了完整煤样和预制不同倾角大尺度单裂纹煤样单轴压缩过程破坏特征及电荷信号规律的研究。结果表明:随预制裂纹倾角(裂纹与轴线方向的夹角)减小,煤样的峰值应力逐渐降低,达到峰值应力时间逐渐缩短,煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变,同时新生翼裂纹由垂直预制裂纹面的翼裂纹向平行预制裂纹面的翼裂纹转变;预制裂纹煤样由于宏观裂纹的存在,更容易发生破裂,在应力峰前就有显著电荷信号产生,因此预制裂纹煤样破裂前兆信息比完整煤样更容易被捕捉;随预制裂纹倾角由60°→45°→30°减小,煤样破裂首次高值电荷信号出现的时间逐渐提前,分别为68.5%σ_c和65.5%T,60.5%σ_c和47.0%T,37.5%σc和30.0%T(T为煤样全程破坏时间),应力峰后破坏阶段电荷信号幅值逐渐减小,电荷累积量曲线突变点增多且首次突变点有所提前;预制裂纹的存在通过改变煤样的变形破裂过程及形式从而实现对煤样破裂产生电荷规律的影响;可根据预制裂纹煤样破裂电荷信号相关特征,对现场进行宏观地质构造探测、以及对煤岩体节理或断层的产状进行合理的推断。有望为预测预报煤岩动力灾害提供新的方法和途径。     

卸载煤体渗透特性及微观结构应力效应研究

针对加载、卸载作用下煤体变形及渗透机制的复杂性,利用渗透-力学耦合特性测定仪,根据瞬态脉冲原理,在40℃下,研究了不同卸载状态时CH4在煤体中的渗透行为,并就卸载前后煤样红外光谱和透射电镜结果进行对比分析,从微观角度讨论了加卸载对渗透特性的影响及引起煤体微观结构的应力效应.研究结果表明:带围压试验的煤样渗透率均较低,卸载到设定值后渗透率增高,且有效围压越大,渗透率变化越大;在微观上,煤样的有效围压越大,红外光谱特征参数I2值越高,脂肪链变长且易断裂和脱落,裂隙结构面活性增强,煤体颗粒易于损伤而破裂,并呈现出颗粒多碎性和强度弱化区,对煤体微裂纹的萌生、扩展直至形成宏观裂纹起加剧作用,卸载后煤体渗透率增大.     

循环载荷下煤样裂隙演化试验及数值模拟

为了从宏观和细观角度深入研究煤样在循环载荷下的裂隙发育过程,基于声发射监测技术,研究了煤样在循环加、卸载条件的宏观变形及声发射特征,并采用PFC2D数值模拟软件,从细观层面分析了煤样在疲劳损伤过程中的裂隙演化规律;结果显示:循环载荷下煤样单次加、卸载产生的残余变形量经历减小、稳定和增大3个阶段,变形曲线呈"疏-密-疏"的特征;声发射参量表现为降低、稳定和升高阶段,峰值振铃计数呈"U"型,累计能量和撞击计数呈倒"S"型。数值模拟结果看出:循环初期煤样的微裂纹随机分布,中期微裂纹不断积聚,并初步形成剪切破裂带,循环后期主剪切破裂带形成,最终导致煤样破坏,煤样的破坏以剪切破坏为主。     

煤岩力学特性降解及声发射信号多参量特征试验研究

为研究循环荷载作用下煤样断裂演化过程,借助MTS815力学试验机及声发射仪对加卸载过程中煤样力学特性及声发射信号特征展开了深入的研究。结果表明:不同应力水平下,弹性模量表现出3阶段的变化趋势,即急剧增加-缓慢增加-急剧降低;泊松比与不可逆应变呈现出由线性向非线性的演变,即稳定不变-缓慢增加-急剧增加;低、中和高频特征信号占比分别为77.41%、6.18%和16.41%,其中,低频高幅值能量信号是诱导煤样发生宏观断裂的主要特征信号;微观拉伸裂纹和剪切裂纹占比分别为37.9%和62.1%;基于加卸载响应比定义的损伤因子较好地表征了不同加载阶段的损伤演化过程。     

不同含水率煤岩声发射特性试验研究

以含水煤样为研究对象,在压缩变形过程中进行声发射检测试验,研究了不同含水率煤样声发射特性。结果表明,含水软化了型煤试件,且随着含水率的增加,峰值应力和弹性模量减小,变形特征有向岩性转化的趋势;煤样AE计数率变化与应力变化趋势几乎一致,随着含水率的递增,屈服应力及AE计数呈现减小趋势,同时声发射计数率集中区域由大幅值变为小幅值;含水煤样的声发射累积振铃计数比干燥煤样少很多且滞后,但干燥煤样与含水煤样所得曲线在形状上相像。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

基于水分影响的加-卸载围压条件下含瓦斯煤渗流特性研究

利用自行研制的"受载含瓦斯煤温控三轴加载渗流实验装置",以河南方山煤矿煤样为研究对象,进行了不同含水率条件下2次加-卸载围压的三轴渗流实验,系统研究了水分和加-卸载围压对含瓦斯煤渗透特性的影响规律。研究结果表明:1)围压及煤样的含水率对型煤煤样渗透率控制性较强,型煤渗透率与水分及围压大小都呈负相关关系;2)2次加载过程相比,第2次加载过程中渗透率变化明显较第1次平缓,且两者渗透率与围压的关系曲线路径不同;3)2次卸载过程中,渗透率都有一定程度升高,但均恢复不到初始值,且随着煤样含水率越高其恢复程度越小;4)同一次加载或卸载过程中,含水率越高的煤样渗透率变化曲线越平缓。第1次加载后,进行第1次卸载及2次加卸载过程中,水分对煤体渗透率的控制性要显著高于围压对其控制性。实验结论对处于反复加-卸载情况下,煤层瓦斯渗透率主要控制因素选择有一定意义。